ชีวิตของเราในทุกวันนี้ได้ออกห่างจากโลกของความเป็นจริงเข้าสู่โลกเสมือนมากขึ้นเรื่อยๆ เราเก็บรูปภาพ ข้อความลับในแชท หรือแม้แต่เงินของเราในบัญชีธนาคาร ไว้ในโลกเสมือน
เพราะเราเชื่อใจว่า หากเราตั้งรหัสลับที่ซับซ้อนมากพอ เราสามารถไว้ใจให้เทคโนโลยีการเข้ารหัสทํางานไปตามกลไกของมัน
1.
หากพิจารณาให้ดี ข้อมูลลับทุกอย่างก็ถูกเก็บในโลกแห่งความเป็นจริงทั้งสิ้น ไม่ว่าจะเป็นในทรานซิสเตอร์ที่อยู่ในโทรศัพท์มือถือของเรา หรือในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งสัญญาณเวลาเราติดต่อกับผู้อื่น
เราอาจสงสัยว่าตัวนําข้อมูลเหล่านี้มีความปลอดภัยเพียงใด และเราอาจสงสัยว่า เป็นไปได้หรือไม่ที่เราจะใช้ประโยชน์จากกฎทางธรรมชาติเพื่อเสริมความปลอดภัยของข้อมูลในโลกเสมือน
ในโลกของควอนตัมนั้นไม่มีคําว่า “copy + paste” เพราะว่าในโลกควอนตัม การสังเกตสามารถทําลายสถานะของอนุภาค เราอาจจะเคยได้ยินเรื่อง ‘แมวของชโรดิงเจอร์’ ซึ่งมีสถานะเป็นกับตายได้พร้อมกันในกล่อง แต่เมื่อเราเปิดกล่องดู กลายเป็นว่าการสังเกตของเราทำให้แมวตายซะอย่างนั้น!
แมวของชโรดิงเจอร์ (Schrodinger’s Cat) | ysjournal.com
สมบัติดังกล่าวของข้อมูลแบบควอนตัมนี้เรียกว่าทฤษฎี no-cloning ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากสําหรับการเข้ารหัสที่เราต้องการส่งหาผู้อื่น เพราะหากมีโจรที่พยายามจะ copy เอาข้อมูลของเราไป ข้อมูลนั้นก็จะถูกทําลายในทันที!
[หมายเหตุ: นี่เป็นแค่ส่วนหนึ่งของวิชาการเข้ารหัสเชิงควอนตัม (quantum cryptography) ซึ่งเป็นศาสตร์ที่มีความลึกซึ้งเกินกว่าที่จะอธิบายได้ภายในพื้นที่จํากัด ผู้สนใจควรศึกษาเพิ่มเติม]
2.
ประโยชน์ของการส่งข้อมูลเชิงควอนตัมไม่ได้จํากัดอยู่แค่การเข้ารหัสเท่านั้น ทุกวันนี้เราอาจได้ยินเทคโนโลยีทางควอนตัมอื่นๆ โดยเฉพาะควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากจากทั้งภาครัฐและเอกชนของนานาประเทศ จนไปถึงเซ็นเซอร์ต่างๆ ในขณะที่เทคโนโลยีเหล่านี้กำลังรุดหน้า เราคงจินตนาการได้ว่า คอมพิวเตอร์หรือ gadget ต่างๆ ที่สื่อสารกันทางอินเตอร์เน็ต สักวันหนึ่งเมื่อโลกเข้าสู่ยุคควอนตัมคอมพิวเตอร์ ทุกอย่างก็คงต้องเชื่อมต่อกันจนเป็น ‘ควอนตัมอินเตอร์เน็ต’
ชิป Sycamore มันสมองของควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่กูเกิ้ลเคลมว่าสามารถคำนวณได้เร็วกว่าซุปเปอร์คอมพิวเตอร์อย่างมหาศาล | Google AI Blog
ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดในโลก ณ ขณะนี้ อาจจะยังใช้แก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในโลกไม่เก่งเท่าไหร่ แต่อันที่จริง เราไม่จําเป็นต้องรอให้ถึงเวลานั้นแล้วค่อยเชื่อมต่อระบบควอนตัมเล็กๆ เข้าหากันก็ได้!
เช่นเดียวกับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ซึ่งอาศัยหน่วยประมวลผลเป็นแสนๆ หน่วยที่ทำงานร่วมกัน เราสามารถจินตนาการว่า หน่วยเล็กๆ ของควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถโยงไปมาหากัน เพื่อเพิ่มพลังในการคํานวณ แทนที่จะสร้างเป็นเครื่องใหญ่เครื่องเดียว ซึ่งเป็นปัญหาที่ท้าทายสําหรับวิทยาการในปัจจุบัน
3.
อีกเทคโนโลยีหนึ่งที่ใช้อย่างแพร่หลายใน GPS คือ ‘นาฬิกาอะตอม’ ซึ่งติดตั้งอยู่บนดาวเทียม เนื่องจากอะตอมทําตัวตามหลักควอนตัม เราสามารถเชื่อมต่อนาฬิกาเข้าด้วยกัน เพื่อ sync ให้เป็นมาตรฐานเวลาเดียวกันนั่นเอง
ซึ่งการ sync นาฬิกาที่มีความแม่นยําระดับนี้ สามารถนําไปสู่เทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น การเพิ่มความแม่นยําของการบอกตําแหน่งของพาหนะไร้คนขับ
เครือข่ายควอนตัมของนาฬิกาอะตอม | Komar et al, Nature Physics volume 10 (2014)
แล้วหน้าตาของเครือข่ายควอนตัมเป็นอย่างไรกัน!?
เช่นเดียวกับอินเตอร์เน็ตในปัจจุบันที่เชื่อมต่อด้วยเครือข่ายใยแก้วนําแสงทั่วโลก เครือข่ายควอนตัมก็ต้องการตัวกลางที่สามารถเคลื่อนที่ได้ในระยะไกลเช่น อนุภาคของแสง หรือโฟตอน ซึ่งสุดท้ายแล้วก็ไม่ได้ต่างจากสัญญาณแสงที่เราใช้กันปกติเท่าไหร่ แค่ลดลงมาอยู่ในระดับอนุภาคเท่านั้น
แม้ว่าแสงจะเป็นสิ่งที่เคลื่อนที่ได้เร็วที่สุดในจักรวาล เวลาที่มันเคลื่อนที่ในระดับภูมิภาคอยู่ในระดับเสี้ยววินาที นั่นแปลว่า หน่วยเก็บข้อมูล ทั้งต้นทางและปลายทาง ต้องรักษาข้อมูลเชิงควอนตัมได้นานพอ
ยกตัวอย่างเช่นการสื่อสารในชีวิตประจําวัน หากเราลืมสิ่งที่เราพูดก่อนที่สารจะไปถึงผู้รับ ก็คงไม่มีประสิทธิภาพเท่าไหร่ การทําให้ความจําควอนตัมยาวกว่าช่วงเสี้ยววินาทียังเป็นเรื่องที่ยากมาก สําหรับควอนตัมคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน แม้ว่าจะเป็นควอนตัมคอมพิวเตอร์ของ Google หรือ IBM ก็ตาม
ควอนตัมคอมพิวเตอร์ของ Google | Phys.org
นอกจากนี้ เราต้องการตัวแปลงสัญญาณ คล้ายๆ กับเราเตอร์จากหน่วยความจําไปยังสัญญาณแสง ซึ่งต้องมีประสิทธิภาพมากพอที่จะแปลงสัญญาณได้ถูกต้อง
ท้ายสุด หากเราจะส่งข้อมูลควอนตัมข้ามระยะทางไกล สัญญาณควอนตัมอาจจะแผ่วลงเรื่อยๆ และเราไม่สามารถ copy+paste ข้อมูลเชิงควอนตัมเพื่อขยายสัญญาณ แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้เสนอไอเดียที่ช่วยยืดระยะทางในการสื่อสารได้โดยไม่ต้อง copy + paste เครื่องมือชิ้นนี้เรียกว่า “quantum repeater” ซึ่งในปัจจุบัน ยังเป็น ‘จอกศักดิ์สิทธิ์’ ที่นักวิทยาศาสตร์หลายๆ ทีมทั่วโลกพยายามแข่งกันสร้าง
ใยแก้วนำแสง: เส้นเลือดแห่งการสื่อสารทางไกลในปัจจุบัน ที่ยังคงมีบทบาทในเครือข่ายแบบควอนตัม | shutterstock
4.
ถึงแม้ตอนนี้ยังไม่มีใครเดาได้ว่า ควอนตัมคอมพิวเตอร์ในอนาคตจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร การสร้างเครือข่ายควอนตัมอาจไม่ได้ห่างไกลขนาดนั้น
ระบบหนึ่งที่ค่อนข้างแพร่หลายในปัจจุบันคือการนํากระจกสองแผ่นหันหน้าเข้าหากัน ทําให้แสงกระดอนไปมา (เนื่องจากกระจกสะท้อนแสง) หากเราใส่หน่วยความจําควอนตัมเข้าไป แสงก็มีโอกาสส่งผ่านสัญญาณกับหน่วยความจํานี้มากขึ้น การสร้าง quantum repeater อาศัยหน่วยความจําเพียงสองหน่วย และนักวิทยาศาสตร์หลายๆ ทีมทั่วโลกก็สามารถสร้างระบบเบื้องต้นได้อย่างใกล้เคียง
ระบบควอนตัมหลายๆ ระบบในปัจจุบันมีข้อดีที่ต่างกันไป โฟตอนเคลื่อนที่ได้ไกลแต่เก็บข้อมูลได้ไม่นาน ส่วนอะตอมเก็บข้อมูลได้นาน แต่เคลื่อนที่ไม่เก่งเท่า
เครือข่ายควอนตัมนี่เป็นแค่ตัวอย่างหนึ่งของการรวมระบบควอนตัมสองระบบเพื่อเพิ่มความสามารถ ควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบตัวนํายิ่งยวดแบบของ Google หรือ IBM เก่งแต่การคํานวณ แต่ด้อยเรื่องการเชื่อมต่อ
และในอนาคตเราคงเห็นการผนวกกันระหว่างระบบที่ต่างกัน เป็นระบบไฮบริด ที่จะนําไปสู่ความเป็นไปได้ใหม่ๆ เทคโนโลยีใหม่ๆ และนําไปสู่การประยุกต์ใหม่ๆ ที่เราไม่อาจฝันถึงมาก่อน
หน้าตาคร่าวๆ ของเครือข่ายควอนตัม แสงที่ถูกดักระหว่างกระจกสองแผ่นถูกส่งผ่านไปยังหน่วยความจำ | Ritter et al., Nature volume 484